Колко тежи светлината?

Общоизвестният факт за непреодолимостта на скоростта на светлината се базира на научната догма за отсъствието на маса на фотоните.

Физиците се замислили: какво, ако тези вездесъщи частици все пак имат маса, само че тя е много малка?

На теория, ако частиците светлина нямат маса, то се получава, че те са безсмъртни и никога не се разпадат на други частици. А ако все пак имат маса, то на Вселената може да се погледне по съвсем различен начин.

Тук следва да добавим, че резултатите от наблюденията на астрофизиците в последните десетилетия не изключват минимален шанс за наличието на някаква маса на фотона.

Наскоро учените се обърнали към данните, събрани от спътника COBE, който изучава фотонното космическо лъчение от 1989 г. Изследователите изчислили минималната продължителност на живота на фотона, основавайки се на анализ на реликтовото електромагнитно лъчение, което се е образувало само няколкостотин хилядолетия след Големия взрив.

Според изчисленията продължителността на живота на фотона трябва да е от квинтилион (милиард милиарда) години до безкрайност. Ако се вярва на Айнщайн, то скоростта на движението през пространството е обратнопропорционална на скоростта на движението във времето. Това се нарича релативистично забавяне на времето, което великият учен е описал в своята Специална теория на относителността. Това означава, че ако на Земята изминат квинтилион години, то за фотона ще изминат само три години.

„Ако физиците някога успеят да докажат, че фотонът притежава маса, то всичките ни представи за светлината и нейната скорост ще се окажат безсмислени”, смята водещият автор на последното изследване Юлиан Хек от Института по ядрена физика „Макс Планк”.

Безспорно непреодолимата бариера на скоростта на светлината както и преди е неразрушима, но фотоните също трябва да се подчиняват на определени закони на природата. При наличието макар и на минимална маса скоростта на движение на фотоните би била обусловена не само от средата, в която се движи, но и от дължината на вълната – синият цвят би се движил по-бързо от червения. И тогава едновременно изпусканите от далечни звезди фотони с различна дължина на вълната биха пристигнали на Земята по различно време.

Тъй като основната теория – Стандартният модел – се основава на убеждението за безмасовост на частиците светлина, то тя също ще трябва да се пренапише. Но за учените това е добра новина – те отдавна мечтаят да направят това.

Законите на взаимодействието на заредените частици и уравненията на Максуел, описващи полето и електромагнитните вълни, също ще претърпят определени модификации. Тъй като фотонът се явява „преносител” на електромагнитните сили.

Връщайки се към реалните наблюдения, следва да отбележим, че изследванията на магнитното поле на Слънцето сочат, че ако фотонът има маса, то тя е нищожно малка. Както отбелязахме, за да определи лимита на продължителността на живот на фотоните, екипът на Хек внимателно анализирал данните от спътника COBE.

Светлината идеално се вписва в модела на излъчване на т.нар. абсолютно черно тяло, който подсказва на учените колко интензивна трябва да бъде светлината при една или друга дължина на вълната.

Ако дори един фотон, летящ от другия край на Вселената, се разпадне по време на своето пътешествие, то изследователите биха забелязали несъответствие. Така COBE би фиксирал по-нискоенергийна (червена) светлина, отколкото предсказва моделът на излъчване на абсолютно черното тяло.

„Ако фотонът е преодолял много голямо разстояние, да речем от края на Вселената до Земята, то той би имал достатъчно време да се разпадне на „по-леки” частици”, казва Емануел Берти от университета на Мисисипи, който не взел участие в работата на Хек, но се занимавал с изучаването на хипотетичната маса на фотона.

СОВЕ обаче не е фиксирал никакви несъответствия. Космическото микровълново фоново лъчение, изглежда, се държи като идеален модел на абсолютно черно тяло. Но физиците не губят надежди. По думите им има вероятност няколко фотона все пак да се разпаднали по пътя към Земята. А ако не, то продължителността на живота на фотона може просто да е по-голяма от възрастта на Вселената – около квинтилион (10¹⁸) години. Самата вселена е общо на 13,8 млрд. години.

Но ако фотонът хипотетично е способен да се разпада, то на какви частици? „Разбира се, това е главният въпрос”, казва Хек. Глуоните, които както фотоните се явяват калибровъчни бозони, може да са резултат от разпада на частиците на светлината. Такова може да е и неутриното, което е представено в няколко варианта – електронно, мюонно и тау.

„Ако най-лекото неутрино (електронното) не притежава маса изобщо, то именно то може да е резултат на фотонния разпад. Впрочем това може да е и друга, още неизвестна на науката частица”, обяснява Хек.

В статия на учения и колегите му, публикувана в сп. Physical Review Letters, хипотезата за наличието на маса на фотона е описана с някои обобщения. Например изследователите пренебрегват взаимодействието на фотоните с материята, което се е случило веднага след образуването на космическия микровълнов фон.

В този случай дори минимална маса на фотона би изиграла голяма роля в тези взаимодействия и би имала забележим ефект. Например частици светлина, погълнати от междузвездната материя (газ) и изпуснати отново, биха променили своите свойства. Берти смята, че независимо че хипотезата е много интересна, ключът към разгадаването й се крие в такива детайли.

Хек също смята, че е необходимо да се вземе предвид взаимодействието на фотоните с материята на ранните етапи от съществуването на Вселената. Но за това се изискват повече точни данни.

„Не съм анализирал данните на наскоро изпратени спътници като WMAP единствено защото в тях отсъства информация за температурата, която е необходима за разбиране на спектъра на излъчване на абсолютно черното тяло”, отбелязва Хек.

Той и колегите му планират да продължат изследването и ако то даде положителни резултати, то мечтите за нова физика най-накрая ще се осъществят.